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作者：英飛凌科技(中國)有限公司 劉山 摘要 現代汽車(chē)技術(shù)追求高效節能，高舒適性和高安全性三大目標。作為汽車(chē)最重要的子系統之一，轉向系統的發(fā)展也一直努力追求達到這些目標。與傳統液壓助力轉向系統(HPS)相比，電動(dòng)助力轉向系統(EPS)能節省油耗約3%~5%，具有結構精巧、節能環(huán)保、安全舒適等優(yōu)點(diǎn)，是汽車(chē)助力轉向系統的發(fā)展方向。 英飛凌作為世界第二大車(chē)用半導體供應商，一直致力于開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品以適應于電動(dòng)助力轉向系統的發(fā)展。本文首先介紹轉向系統的市場(chǎng)分析以及EPS的分類(lèi)及其基本功能，然后在此基礎上介紹英飛凌對于基于兩種不同電機的EPS系統的解決方案及其產(chǎn)品，最后本文分析了EPS的兩個(gè)新方向以及英飛凌將采用的解決方案和新的產(chǎn)品技術(shù)。 1．轉向系統市場(chǎng)分析 在汽車(chē)的發(fā)展歷程中，轉向體經(jīng)歷了四個(gè)階段：從簡(jiǎn)單的純機械式轉向系統(Mechanical Steering，MS)發(fā)展到液壓助力轉向系統(Hydraulic Power Steering，HPS)，然后又出現了電液助力轉向系統(Electrically Powered Hydraulic Steering，EHPS)，而目前正開(kāi)始廣泛應用的是電動(dòng)助力轉向系統(Electric Power Steering，EPS)。 與傳統的液壓動(dòng)力轉向系統相比，電動(dòng)助力轉向系統主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢： 1.能耗少：EPS沒(méi)有轉向油泵，且只在轉向時(shí)電動(dòng)機才提供助力，所以動(dòng)力消耗和燃油消耗均可降到最低。比液壓助力轉向系統可節約燃油3％~5％，因而燃油經(jīng)濟性有了很大的提高。 2.路感好：EPS能在各種行駛工況下提供最佳力，減小路面不平度所引起的對轉向系的擾動(dòng)。且由于EPS 系統內部采用剛性連接，系統的滯后特性可以通過(guò)軟件加以控制，因此有較好的路感。 3.安裝方便：EPS取消了油泵、皮帶、密封件、液壓軟管、液壓油及密封件等零件，并且其電機和減速機構安裝在轉向柱或裝在轉向器內，從而使整個(gè)轉向系統的重量減輕、結構緊湊且安裝方便。 4.回正性能好：EPS結構簡(jiǎn)單精確、內部阻力小、回正性能好，而且可以通過(guò)軟件進(jìn)行補償，從而可以得到最佳的轉向回正特性，且可改善汽車(chē)的操縱穩定性。 5.應用范圍廣：EPS可適應各種汽車(chē)，目前主要用于轎車(chē)和輕型載貨汽車(chē)。而對于新能源車(chē)，尤其是純電動(dòng)汽車(chē)，EPS系統為其最佳選擇。 6.整車(chē)網(wǎng)絡(luò )構建：EPS由于有CAN/LIN的網(wǎng)絡(luò )接口，可以與汽車(chē)其它電子控制系統結合，例如主動(dòng)懸架、制動(dòng)防抱死(ABS)及駕駛員輔助系統等，共享其電子裝置的功能，實(shí)現更加復雜的功能，比如汽車(chē)智能化的終極目標：無(wú)人駕駛。 下表一是世界著(zhù)名的咨詢(xún)公司Strategy Analytics對全球轉向系統的預測，可以看到EPS將占據50%以上的市場(chǎng)份額。 表一：2007-2018全球轉向系統市場(chǎng)預測 （百萬(wàn)套） 
若分區域來(lái)看，過(guò)去主要在歐美和日本采用EPS。但是從2015開(kāi)始，中國將超過(guò)歐美和日本，成為全球最大的EPS市場(chǎng)。見(jiàn)下表二。 表二：2007-2017 全球轉向系統市場(chǎng)分區域預測 （百萬(wàn)套）
若分車(chē)型來(lái)看，所有的廣義乘用車(chē)都能應用EPS，從2007年至2017年的平均年增長(cháng)率為15%。不過(guò)由于大型轎車(chē)和輕卡對于EPS的需求增長(cháng)迅猛，表三顯示從C級以下的小型轎車(chē)的份額從2007年的86%下降為2018年的66%。 表三：2007-2018 全球轉向系統市場(chǎng)分車(chē)型預測 （百萬(wàn)套）
2．電動(dòng)助力轉向系統的介紹 電動(dòng)助力轉向系統是在傳統機械轉向系統的基礎上發(fā)展起來(lái)的，它利用電動(dòng)機產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)幫助駕駛員進(jìn)行轉向操作。系統主要由三大部分構成：信號傳感裝置(包括扭矩傳感器、方向盤(pán)角度傳感器和車(chē)速傳感器)，電子控制單元和轉向助力機構(電機、離合器、減速傳動(dòng)機構等)。 電動(dòng)機僅在需要助力時(shí)工作，駕駛員在操縱轉向盤(pán)時(shí)，裝在轉向盤(pán)軸上的扭矩傳感器不斷地測出轉向軸上的扭短信號，該信號與車(chē)速信號同時(shí)輸入到電子控制單元。電控單元根據這些輸入信號，確定助力扭矩的大小和方向，即選定電動(dòng)機的電流和轉向，調整轉向輔助動(dòng)力的大小。電動(dòng)機的扭矩由電磁離合器通過(guò)減速機構減速增扭后，加在汽車(chē)的轉向機構上，使之得到一個(gè)與汽車(chē)工況相適應的轉向作用力。 根據電機安裝位置和機械結構的不同，電動(dòng)助力轉向系統系統可以分為：管柱助力式(Column Mounted)，小齒輪助力式(Pinion mounted)，雙小齒輪助力式(2xPinion mounted)和齒條助力式(Rack mounted)。具體的如下圖一所示：
圖一：電動(dòng)助力轉向系統的分類(lèi) 管柱助力式EPS系統中將助力電機安裝在管柱上，通過(guò)減速增扭機構與轉向軸相連，直接驅動(dòng)轉向軸助力轉向。這樣的系統結構簡(jiǎn)單緊湊、易于安裝，但由于助力電機安裝在駕駛艙內，受到空間布置和噪聲的影響，電機的體積較小，輸出扭矩不大，一般只用在小型及緊湊型車(chē)輛上。小齒輪助力式EPS系統中將助力電機和減速增扭機構與小齒輪相連，直接驅動(dòng)齒輪實(shí)現助力轉向。由于助力電機不是安裝在乘客艙內，因此可以使用較大的電機以獲得較高的助力扭矩，而不必擔心電機轉動(dòng)慣量太大產(chǎn)生的噪聲。雙小齒輪助力式EPS系統由于增加了一對齒輪齒條而能提供比小齒輪助力式更大的助力，但是成本上也略高。而齒條助力式EPS系統中將助力電機和減速增扭機構直接驅動(dòng)齒條提供助力，因此能提供更大的助力，但整套系統結構復雜，成本較高，所以適用于豪華車(chē)和商務(wù)車(chē)上。 無(wú)論哪種EPS系統，其要實(shí)現的功能大致相同： 1. 助力控制：在汽車(chē)停車(chē)及低速行駛時(shí)提供較大輔助力矩，使轉向過(guò)程快捷輕便的進(jìn)行，而在汽車(chē)高速行駛時(shí)提供較小的輔助力矩以保持轉向過(guò)程的可靠與沉穩。 2. 阻尼控制：利用電機感應電動(dòng)勢來(lái)減弱汽車(chē)高速行駛時(shí)出現的方向盤(pán)抖動(dòng)現象，目的是提高汽車(chē)高速直線(xiàn)行駛穩定性和快速轉向收斂性。 3. 回正控制：駕駛員松開(kāi)轉向盤(pán)后，隨著(zhù)作用在轉向盤(pán)上的力的減小，轉向盤(pán)將在回正力矩的作用下回正。需要防止兩種情況：（1）回正力矩過(guò)大，引起轉向盤(pán)位置超調；（2）回正力矩過(guò)小，轉向盤(pán)不能回到中間位置。 4. 系統通信功能：通過(guò)CAN/LIN總線(xiàn)與其他汽車(chē)控制系統進(jìn)行通訊，實(shí)現更加復雜的功能。 5. 系統故障診斷功能：能實(shí)時(shí)監控整個(gè)系統，具有故障報警和提示功能，在故障不能自動(dòng)排除時(shí)關(guān)斷EPS使車(chē)輛進(jìn)入傳統的機械轉向模式。 為了實(shí)現上述功能，軟硬件的選擇就非常重要。從半導體供應商的角度，EPS系統中選擇的助力電機的類(lèi)型非常關(guān)鍵。一般來(lái)講，常用的EPS助力電機分為直流有刷電機(DC)和直流無(wú)刷電機(BLDC)兩種。針對這兩種電機，英飛凌都有相應的全套解決方案。 3．英飛凌電動(dòng)助力轉向系統方案：直流有刷電機 直流有刷電機(DC)由于技術(shù)成熟、控制器簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，短時(shí)間內仍將在EPS電機中占據主導地位。目前主要應用于低成本的EPS上，代表車(chē)型為日系車(chē)和國內自主品牌的低端車(chē)。 針對于基于直流有刷電機的EPS系統，英飛凌提出一套非常成熟可靠的方案，見(jiàn)圖二。
圖二：英飛凌基于直流有刷電機的EPS方案 1. 傳感器 EPS系統中最重要的輸入信號就是方向盤(pán)的扭矩，因此扭矩傳感器的選擇非常重要。目前國內大部分EPS系統采用的是電位計式扭矩傳感器，最主要的原因是技術(shù)成熟、價(jià)格便宜。不過(guò)由于其是接觸式測量，使用時(shí)間長(cháng)后容易磨損，導致測量值不準確，并且其信號的一致性與精確度都不高。 因此英飛凌推薦使用2片線(xiàn)性霍爾傳感器TLE4998/TLE4997作為扭距傳感器。TLE4998是一款全面采用數字邏輯結構（20 bit的數字信號處理），具有數字溫度補償功能的汽車(chē)級（-40℃-150℃）的可編程線(xiàn)性霍爾傳感器，根據需要可輸出SPC（Short PWM Code）、PWM或SENT（Single Edge Nibble Transmission）信號，其中PWM信號具有12位的分辨率，而SPC和SENT信號更具有高達16位的分辨率。此外，TLE4998還帶有各種保護（防反接，過(guò)壓，輸出短路等）和在線(xiàn)診斷（電壓，EEPROM錯誤等）功能，并具有極強的抗應力和抗EMC性能。TLE4997與TLE4998最大的區別在于其只支持模擬接口。 2. 電子控制單元（ECU） ECU擔負著(zhù)處理傳感器信號、執行控制策略、輸出控制信號驅動(dòng)電機、系統監控診斷和通訊的重任，是系統的核心部件。 作為ECU中的核心元器件，主微控制器(MCU)需要高性能和高可靠性。英飛凌推薦在EPS中采用最先進(jìn)的XC2000系列產(chǎn)品作為主微控制器。XC2000是英飛凌針對汽車(chē)電子專(zhuān)門(mén)設計的基于130nm技術(shù)制造的16位微控制器系列并具有執行某些32位指令的能力。它采用了英飛凌成熟的C166S-V2架構并進(jìn)行了改善，最高的時(shí)鐘頻率達到80MHz。該架構采用了多路數據總線(xiàn)技術(shù)（multiple data buses），大部分指令都能在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成，也支持DSP技術(shù)。XC2000的強大的功能和眾多的外設使工程開(kāi)發(fā)人員設計系統時(shí)更加游刃有余。XC2000系列產(chǎn)品分成三個(gè)子系列，其中XC2300系列是專(zhuān)門(mén)針對安全應用開(kāi)發(fā)的，具有反應迅速，高冗余度，高靈活性和穩定可靠的特點(diǎn)。由于DC EPS低成本的要求，英飛凌推薦XC2300中兩款低成本的產(chǎn)品：XC2300D和XC2300S。他們的區別在于XC2300D支持CAN總線(xiàn)通訊，而XC2300S只支持LIN總線(xiàn)通訊。 針對EPS系統中最重要的電機控制，英飛凌提供的方案是全橋預驅動(dòng)芯片加上4顆Mosfet來(lái)驅動(dòng)直流有刷電機。對于全橋預驅動(dòng)芯片，目前主流推薦的是TLE6282/TLE7181/TLE7182。他們都是內置2個(gè)高邊和2個(gè)低邊輸出級，可通過(guò)輸出0-100%占空比的PWM波控制4顆外接MOS管。它帶有過(guò)流，過(guò)溫，短路等各類(lèi)保護和分析功能。他們的區別在于：TLE6282最高工作電壓為60V，且沒(méi)有內置運算放大器；而TLE7181/TLE7182最高工作電壓僅為34V，內置一個(gè)高精度的運算放大器，可以顯著(zhù)地降低系統成本。 從整個(gè)系統的角度看，本方案所采用的芯片都是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應用而設計的，具有至少-40-125℃的應用溫度范圍，并有很強的靜電保護和抗電磁干擾性能。此外，這些芯片大多采用無(wú)鉛材料制造，是對環(huán)境友好的綠色芯片。 4．英飛凌電動(dòng)助力轉向系統方案：直流無(wú)刷電機 雖然直流有刷電機價(jià)格比較便宜，但是其電刷易磨損、功率密度較低、換向器的電火花容易產(chǎn)生電磁干擾，尤其是其控制策略的限制造成手感不好，因此直流無(wú)刷電機(BLDC)也逐漸應用于EPS中。目前主要應用于中高端的EPS上，代表車(chē)型為歐美系和國內自主品牌的中高端車(chē)型。 針對于基于直流無(wú)刷電機的EPS系統，英飛凌也有一套非常成熟可靠的方案，見(jiàn)圖三。
圖三：英飛凌基于直流無(wú)刷電機的EPS方案 1. 傳感器 在高端的基于直流無(wú)刷電機的EPS系統中，除了扭矩傳感器外，還需要方向盤(pán)角度傳感器來(lái)收集角度信息來(lái)實(shí)現主動(dòng)回正控制功能和車(chē)速信號、電機轉子位置信息和發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火信號、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號。 TLE5011目前已大規模量產(chǎn)，其實(shí)現方式是兩顆芯片采用測量相位差的方法來(lái)實(shí)現方向盤(pán)轉角的測量。它是英飛凌采用GMR（Giant Magneto Resistance）技術(shù)設計的專(zhuān)門(mén)用于角度測量的磁性傳感器。采用該技術(shù)制造的傳感器具有精度高，磁輪間隙小，由于傳感器和磁鐵平行放置而可以制成特別小巧的傳感器模塊的特點(diǎn)。TLE5011可以測量0-360°的角度范圍，全溫度范圍的測量精度為2°，采用SPI信號直接輸出16位的sine/cosine值，其3線(xiàn)SSC接口擁有最高2Mbit/s的通訊速率。 由于TLE5011輸出的是SPI信號，因此需要一顆額外的英飛凌8位單片機XC886作為運算單元。英飛凌的XC88x系列處理器含有一個(gè)叫做CORDIC的協(xié)處理器，該協(xié)處理器專(zhuān)門(mén)用于計算三角函數，線(xiàn)性函數和雙曲線(xiàn)函數，對于力矩和角度的計算有著(zhù)極高的運算效率。此模塊運算的結果將通過(guò)LIN總線(xiàn)傳輸給ECU主控制器。 TLE5009是TLE5011的降成本版本，基本功能相似，區別在于輸出接口是模擬信號，并且全溫度范圍的測量精度為3°。 TLE5012B是TLE5011的功能增強版本，基本功能相似，區別在于輸出接口除了支持SPI外，還支持PWM,IIF和HSM；全溫度范圍的測量精度為1°；并且內置了CORDIC運算單元，能夠直接輸出角度信號，這樣就可以省去外部的8位單片機，達到了降低系統成本的目的。 EPS系統所需的車(chē)速信號可由ABS/ESC系統中的輪速傳感器獲得。 2. 電子控制單元（ECU） 由于性能高、控制手感好，永磁同步電機(PMSM)在直流無(wú)刷EPS系統中占有很大的比重。對于永磁同步電機，其控制算法需要采用空間矢量控制算法，因而對控制器的計算精度和速度都提出了較高的要求。為了保證其能準確高效地完成任務(wù)，英飛凌推薦XC2300產(chǎn)品系列中的XC2300B產(chǎn)品。其擁有一個(gè)帶五級流水線(xiàn)的最高80MHz的時(shí)鐘頻率的高性能CPU并擁有一個(gè)保護數據不被非法訪(fǎng)問(wèn)的Memory Protection Unit (MPU)。它具有不同類(lèi)型的片上存儲模塊（stand-by RAM，dual-port RAM，SRAM， program/data SRAM和program flash memory）并使用硬件CRC檢測和ECC碼來(lái)發(fā)現數據錯誤并能糾正單位錯誤。它的眾多的外設模塊可靈活地滿(mǎn)足各種不同的需求，擁有2個(gè)10位分辨率的同步A/D轉換器，多路通用捕捉/比較單元，多路CAN接口等等，并可通過(guò)DAP和JTAG接口進(jìn)行片上調試。此外，它還帶有看門(mén)狗和晶振看門(mén)狗來(lái)保證控制器的正常運行。 除了這顆主微控制器外，EPS系統還需要一個(gè)備份微控制器。它最主要的作用是對主微控制器進(jìn)行監控并在主微控制器失效的情況下切斷EPS使汽車(chē)進(jìn)入機械轉向狀態(tài)，避免汽車(chē)失控而引發(fā)危險。在這里，英飛凌推薦的也是XC2300 16位微控制器。其目的是為了符合ISO26262中對EPS系統的ASIL(汽車(chē)安全完整性等級)D的要求。 TLE7183/TLE7189是英飛凌主推的大電流三相電機驅動(dòng)芯片，用來(lái)驅動(dòng)EPS系統中最重要的無(wú)刷電機。TLE7183QU的三個(gè)高邊和三個(gè)低邊輸出級可通過(guò)輸出0-100%占空比的最高30kHz的PWM波控制6到12顆外接MOS管，且內置一路高精度運算放大器。它帶有過(guò)流，過(guò)溫，短路等各類(lèi)保護和分析功能并具有關(guān)斷和睡眠兩種模式。整個(gè)產(chǎn)品使用了48管腳的帶外置散熱片的TQFP封裝，保證了系統良好的散熱性能和焊接的便利性。而TLE7189與TLE7183的最大區別是內置三路高精度運算放大器。其中兩路運放利用兩個(gè)采樣電阻來(lái)采集電機的兩相電流，實(shí)現矢量控制算法來(lái)精確地控制電機；另一路運放利用另外一個(gè)采樣電阻來(lái)采集電機的第三相電流，實(shí)現冗余和校驗功能。 5．電動(dòng)助力轉向系統的新方向：ISO26262與小型化 1． ISO26262 ISO26262標準主要定位在特定的電氣器件、電子設備、可編程電子器件等專(zhuān)門(mén)用于汽車(chē)領(lǐng)域的部件，旨在提高汽車(chē)電子、電氣產(chǎn)品功能安全的國際標準。ISO26262標準主要參考工業(yè)標準IEC61508，大約于2005年開(kāi)始發(fā)展，于2011年11月15日正式頒布。2012年8月國家標準化委員會(huì )發(fā)布《關(guān)于下達2012年第一批國家標準制修訂計劃的通知》中，正式將ISO26262標準列入國標制定計劃。未來(lái)ISO26262對汽車(chē)產(chǎn)業(yè)尤其汽車(chē)電子的影響程度將不亞于ISO/TS 16949。 ISO26262標準根據安全風(fēng)險程度對系統或系統某組成部分確定劃分由A到D的安全需求等級（Automotive Safety Integrity Level 汽車(chē)安全完整性等級 ASIL），其中D級為最高等級，需要最苛刻的安全需求。作為汽車(chē)最關(guān)鍵的系統，EPS必須要滿(mǎn)足ASIL D，而ASIL D對系統硬件和軟件開(kāi)發(fā)流程的要求非常高。因此，一個(gè)好的半導體解決方案會(huì )幫助整車(chē)廠(chǎng)和EPS系統供應商在系統開(kāi)發(fā)時(shí)事半功倍。 由于ISO26262是由歐洲幾大車(chē)廠(chǎng)聯(lián)合發(fā)起制定的，作為歐洲最大的汽車(chē)電子芯片供應商，英飛凌有幸參與了這幾大車(chē)廠(chǎng)原型機的設計，驗證，實(shí)施等環(huán)節，并且有些項目已經(jīng)量產(chǎn)。由于這個(gè)先發(fā)優(yōu)勢，雖然ISO26262在2011年11月15日才正式頒布，英飛凌卻已經(jīng)準備好了一整套成熟的，完整的，可以支持量產(chǎn)的解決方案，包括硬件，軟件和文檔。在上圖三中的雙XC2300的方案就是其中一個(gè)成熟的解決方案，它們的安全軟件架構如下圖四所示：
圖四：基于雙XC2300的ASIL D軟件架構 2． 小型化 小型化的需求主要來(lái)自于基于直流無(wú)刷電機的齒條助力式EPS系統。為了追求這一目標，將EPS的電控單元集成入直流無(wú)刷電機中成了各大廠(chǎng)商的首選方案。其主要的方法就是直接向半導體廠(chǎng)商采購裸片(Bare Die)，然后將貼有這些裸片的陶瓷板安放在電機的后蓋中。 由于主微控制器和預驅動(dòng)芯片的裸片操作比較復雜，需要廠(chǎng)商具有極高的陶瓷貼片技術(shù)和裸片的引線(xiàn)技術(shù)。因此更多的廠(chǎng)商，尤其是亞洲的廠(chǎng)商選擇的是折中的方案：主微控制器和預驅動(dòng)芯片還是采用標準的封裝格式，只采用Mosfet的裸片。這樣既能夠顯著(zhù)減少體積達到小型化的目的，同時(shí)提高散熱能力，并且又降低了系統的技術(shù)門(mén)檻。 英飛凌一直以來(lái)致力于新產(chǎn)品和新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以能夠支持客戶(hù)實(shí)現小型化的目標。對于中小型客戶(hù)，英飛凌推出了一系列小封裝、高性能、集成度高的芯片來(lái)實(shí)現系統的小型化。對于中大型客戶(hù)，英飛凌既能提供全套的裸片方案，同時(shí)也能提供單個(gè)Mosfet裸片模塊。 6．結論 隨著(zhù)21世紀日益突出的能源問(wèn)題和汽車(chē)產(chǎn)品的電子化，電動(dòng)助力轉向系統會(huì )越來(lái)越普及�；诟咝�?xún)r(jià)比和開(kāi)發(fā)便捷的考慮，本文介紹的英飛凌EPS方案主要是基于16位主微控制器。隨著(zhù)系統功能越來(lái)越復雜，32位主微控制器的方案將成為未來(lái)的主流設計。英飛凌的新一代基于65nm技術(shù)的32位主微控制器Aurix系列即將正式面世，其強大的功能、豐富的內設和符合ISO26262的安全特性，能夠幫助客戶(hù)實(shí)現更加強大、更加小型化、更加安全的EPS系統。 |
